Bis 2018 will eine internationale Staatengemeinschaft im südfranzösischen Caderache den ersten Tokamak-Fusionsreaktor bauen, der mehr Energie liefert, als hineingesteckt wird. Der Physiker Norbert Holtkamp ist technischer Direktor des rund zwöf Milliarden Dollar teueren ITER-Projektes.
Im Interview mit Technology Review spricht Holtkamp über noch offene technische Fragen, die Sicherheit von ITER und den Wettlauf mit dem Laserfusions-Projekt an der kalifornischen National Ignition Facility.
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Technology Review: Sie kennen sicherlich auch den Witz: Was ist die Fusionskonstante? Wenn man einen Wissenschaftler fragt, wie lange es noch dauert, bis wir Fusionskraftwerke haben, sagt der immer: 50 Jahre. Das ist die Fusionskonstante. Was sagen Sie dazu?
Holtkamp: Das ist ein Witz, über den ich früher auch gelacht habe - als ich noch nicht in der Fusion gearbeitet habe. Mittlerweile finde ich ihn aber nicht mehr so originell, weil ich ihn einfach zu oft gehört habe. Im Ernst: Es gab Ende der 70er Jahre einen großen Push, die Fusions-Energie zu entwickeln. Da ist weltweit eine Menge Geld reingeflossen in drei große Projekte: Eins in Japan, eins in USA und eins in Europa. Aber dann ist das wieder versandet - das Fass Öl war bei 18 Dollar - und die Idee ist wieder von den Radarschirmen verschwunden.
Aber ein Fusionsreaktor ist erst dann wirklich interessant, wenn er groß ist. Die Effizienz skaliert unmittelbar mit der Größe der Vakuumkammer und mit dem Volumen des Plasmas. Das treibt natürlich Größe und Kosten. Eigentlich wird Fusion einfacher, wenn der Reaktor größer wird. Aber um das wirklich zu zeigen, muss man eine Menge Geld investieren.
Ich bin mir außerdem nicht sicher, ob mittlerweile immer noch alle Wissenschaftler sagen, es wird noch 50 Jahre dauern, bis wir die Fusion nützen können. Es gibt natürlich immer Leute, die sind optimistischer, und welche, die sind pessimistischer. Aber ich glaube, der Konsens hat sich geändert.
TR: Ich nehme an, Sie sind eher auf der optimistischen Seite?
Holtkamp: Von Berufs wegen? Ja, sicher. Ich denke, das ist klar. Ich muss dazu sagen, ich bin von Hause aus kein Fusions-Physiker, ich komme aus der Beschleuniger-Forschung. Aber ich denke, wenn das Projekt vernünftig finanziert wird, dann gibt es eine gute Chance, dass die Antwort auch schneller kommt. 50 Jahre halte ich für sehr pessimistisch. Wenn wir das nicht schneller schaffen, dann sind wir selber schuld
ITER ist in einer Größenordnung, die uns wirklich eine klare Ja-Nein-Entscheidung ermöglicht. Wenn ITER funktioniert, dann sind die weiteren Schritte zur industriellen Nutzung der Fusionsenergie schon recht klar vorgezeichnet. Wenn ITER nicht funktioniert, dann ist das auch eine gute Antwort. Denn dann kann man den Tokamak als Technologie für Fusionskraftwerke klar abhaken. Allein das ist es wert, das Experiment durchzuführen.
TR: Das heißt, Sie sind sich nach wie vor nicht sicher, dass es wirklich funktioniert? Die Kollegen von Science haben das Experiment ja eine „zwölf Milliarden Dollar Wette“ genannt.
Holtkamp: (Lacht) So weit würde ich nun auch nicht gehen. Ich bin schon ziemlich sicher, dass es funktioniert. Das gute ist ja, ITER ist ja kein vollkommen neues Konzept. Da macht man keinen Riesensprung, weder in der Technologie, noch im Plasma-Verhalten. Der Sprung, den wir hier machen, beträgt etwa einen Faktor zehn: Wenn Sie sich JET anschauen, oder die anderen Maschinen, die in den 80er Jahren gebaut wurden, die hatten Vakuumkammern mit etwa 100 Kubikmeter Volumen. Bei ITER werden es ungefähr 1000 sein. Sicherlich: Ein großer Unterschied sind die Langzeit-Pulse - nicht das kurze Zeugs, das wir bisher hatte. Das ist etwa so, als ob Sie ein Auto mal kurz anlassen und wieder ausstellen und im Vergleich dazu eine halbe Stunde damit fahren. In einer halben Stunde ist das System wirklich im Gleichgewicht. Das ist der einzig wirklich große Sprung mit ITER. Der ja auch die Kritik entkräften wird, die an dieser Stelle immer wieder kommt: Das ist ja alles hübsch mit der Fusion, aber bisher habt ihr die doch immer nur für eine halbe Sekunde hingekriegt. Das andere ist alles technologisch abschätzbar.
TR: Wie sind Sie denn jetzt im Zeitplan?
Holtkamp: Mein Lehrer hat mir mal gesagt: Wichtig ist nicht der erste Zeitplan, den man macht, sondern der Letzte. Große Projekte sind oft mit Verzögerungen behaftet. Das kommt daher, dass oft Technologiesprünge gemacht werden, die zu groß sind, oder Versprechungen verlangt werden vom Management, die man einfach nicht einhalten kann. Bei ITER würde ich sagen: Das Versprechen, die Anlage in zehn Jahren zu bauen, ist in Ordnung. Das ist machbar. Es sei denn, wir würden gewaltige technologische Probleme bekommen - die ich aber eigentlich nicht sehe. Die Frage ist aber: Wann fangen die zehn Jahre an? Die fangen meiner Meinung nach dann an, wenn wir uns wirklich alle auf einen Plan geeinigt haben. Und das wird gerade jetzt im Council noch diskutiert. Das ist so eine Art Aufsichtsrat. Und die müssen jetzt miteinander verhandeln, und die verschiedenen Finanzpläne übereinander kriegen: Das Budget in Japan beispielsweise wird am 1. Oktober freigegeben - und in den USA fängt das Haushaltsjahr am 1. Januar an.
TR: Das bedeutet, die Bauarbeiten laufen schon, aber trotzdem gibt es noch keinen Plan, über den sich alle einig sind?
Holtkamp: Nein. Die Vorbereitungen laufen. Die Site ist fertig: 40 Hektar sind planiert und können jetzt bebaut werden. Das ist ein Beitrag von Frankreich gewesen. Dieses Sharing ist ja eine sehr komplizierte Angelegenheit. Ich erkläre das immer am Beispiel eines Autos: Wenn Sie ein Auto bauen wollen, gehen Sie nach Europa,und kaufen die Motoren, gehen nach Korea und holen sich die Reifen und bestellen sich das Chassis in Indien. Dann bauen Sie alles zusammen. ITER ist anders aufgeteilt. Bei ITER baut jeder einen Teil der Motors, einen Reifen und einen Teil vom Chassis. Das ist nicht so, weil die Leute, die das geplant haben, dumm sind. Sondern weil ITER ein Technologie-Entwicklungsprojekt ist. Um im Beispiel zu bleiben: Das Ziel ist, dass hinterher jeder der Beteiligten selbst ein Auto bauen kann.
TR: Das bedeutet aber, dass es jetzt unter Umständen teurer ist und länger dauert?
Holtkamp: Das ist richtig. Ich glaube aber auch, dass sieht jeder ein. Und das ist in die zehn Jahre Bauzeit auch schon reingerechnet.
TR: Wie sieht es denn mit den Kosten aus? Kann man die jetzt schon abschätzen?
Hotlkamp: Das ist ja das schöne an ITER - die Kosten sind in gewisser Weise virtuell. Die einzigen Kosten, die wirklich anfallen, sind die für die internationale Organisation - der Leute, die hier arbeiten. Denn das ganze Projekt wird „in kind“ - in Form von Sachleistungen - erbracht. Um nochmal das Beispiel des Autobaus zu bemühen: Wir gehen nicht nach Indien und kaufen Zylinder, sondern die Inder bauen ihre Zylinder und bringen Sie dann hier her. Und dann ist natürlich die Frage: Was kostet ein Zylinder in Indien? Und was würde er in den USA kosten? Wir haben, um ehrlich zu sein, zu solchen Daten nicht einmal Zugang. Es gibt eine Art Kreditwert für solche Sachen. Aber der ist nur geschaffen worden, um sicherzustellen, dass jeder seinen fairen Beitrag leistet.
Das ist sicherlich ein großer Brocken, der hier auf Europa zukommt. Europa übernimmt 45 Prozent der gesamten Kosten. Wir haben aber gleichzeitig den enormen Vorteil, dass die gesamte Technologie hinterher hier bleibt und hier betrieben wird. Ich würde sagen, das ist ein Netto-Gewinn. Da ist eine Menge Return drin.
TR: Gibt es denn noch offene Fragen, die geklärt werden müssen, damit ITER funktioniert?
Holtkamp: Dass ITER funktioniert, ist glaube ich keine Frage. Aber es gibt noch Fragen, die geklärt werden müssen, damit ITER auch gut funktioniert. Also die Frage, wie weit man die Performance pushen kann. Und dann gibt es Fragen der Plasma-Wand-Wechselwirkung. Da ist eine Menge Forschung nötig. Die in so einem Plasma gespeicherte Energie ist ja nicht eben klein. Wenn die in die Wand reingeht, können Sie unter Umständen die Wand aufschmelzen. Das heißt nicht, dass das Gefäß kaputt geht, aber man hat Komponenten, die dann unter Umständen repariert werden müssen.
TR: Was passiert, wenn das heiße Plasma mit dem Kühlmittel zusammen kommt?
Holtkamp: In der Tat beträgt die Temperatur des Plasmas etwa hundert Millionen Grad. Das ist zehnmal mehr als im Inneren der Sonne. Und wir haben nur ein paar Zentimeter, um auf etwa 250 Grad zu kommen. Das machen wir durch den magnetischen Einschluss. Das einzige, was Temperatur aus dem Plasma herausbringt, sind Strahlung und Neutronen. Das sind wirklich die Energieträger - wir entziehen dem Plasma Energie, indem wir die Neutronen, die rausfliegen, in den Wänden abbremsen.
Sollte das Plasma die Wand berühren, sinkt dessen Temperatur sofort ab, und die Plasma-Reaktion stoppt. Die braucht nämlich die hohe Temperatur, um die Fusion treiben zu können. In diesem Sinne ist das ein sehr sicheres Experiment. Man kann sich zwar vorstellen, dass ein Teil der Wand zerstört wird, aber das kann auf gar keinen Fall die Kammer selbst zerstören. Dazu ist nicht genug Energie im Plasma drin.
TR: Das würde auch gelten, für ein kommerzielles Fusionskraftwerk?
Holtkamp: Ja. Ein solches Kraftwerk müssten Sie vielleicht noch mal um einen Faktor drei bis vier größer bauen - vom Volumen der Kammer. Das können Sie leicht ausrechnen - wenn Sie ein paar hundert Megajoule im Plasma sitzen, wieviel Kilo Kupfer Sie damit aufschmelzen können. Das ist nicht so viel. Das können Sie locker im Gefäß festhalten. Das ist wie bei einer Mikrowelle - wenn Sie den Stecker rausziehen, kommt keine Welle mehr raus. Sie brauchen da nur ein bisschen schweres Gas reinzupusten, dann erlischt das Plasma, wie eine Kerze.
TR: Auch in den Magnetfeldern steckt doch eine Menge Energie. Wie wird die abgesichert, falls etwas schief geht?
Holtkamp: Da ist tatsächlich eine Menge Energie drin. Ungefähr 30 bis 40 Gigajoule. Das ist vergleichbar mit einem Flugzeugträger bei 20 km/h. Nehmen wir also an, es gibt einen Kurzschluss. Dann muss die Energie da raus. Das geht über Widerstände, die reingeschaltet werden. Das dauert bei ITER rund 1,5 Minuten. Dabei geht die Temperatur des Magneten um 60 Grad in die Höhe - die sind dann natürlich nicht mehr supraleitend. Das ist nicht so ein kleiner Widerstand wie im Elektronikladen - das sind schon ganz schöne Brummer.
TR: Sie arbeiten zuerst mit Wasserstoff und erst später mit Deuterium und Tritium. Warum?
Holtkamp: Fast alle Tokamaks arbeiten erst mal mit Wasserstoff. Das wird gemacht, um die Maschine erst mal zu testen und zu verstehen. Wir erzeugen ein Hochleistungs-Plasma, das im wesentlichen die gleichen Eigenschaften hat, wie das Fusionsplasma. Aber wir haben noch keine Fusion. Falls was schief geht, können Sie noch rein gehen - die Maschine ist noch nicht radioaktiv aktiviert. Wenn Sie mit Deuterium-Tritium angefangen haben, dann fliegen die Neutronen in die Wände rein. Die bringen zwar die Energie aus dem Plasma raus, die machen aber auch das Material radioaktiv.
TR: Wann fangen Sie mit Deuterium an?
Holtkamp: Darüber reden wir gerade. Wir gehen bisher davon aus, dass wir acht Jahre brauchen. Man muss mal schauen, ob man diesen Weg noch etwas verkürzen kann. Man darf das glaube ich auch nicht zu sehr pushen. Das ist nicht so, wie bei einem Auto. Da kann man nicht einsteigen, den Schlüssel umdrehen und mit 200 über die Autobahn knallen. Das muss man langsam hochfahren. Wenn man das zu sehr pusht, ist die Wahrscheinlichkeit, dass man mehr kaputt macht, als man erreicht, sehr groß. Ob dieser Prozess nun wirklich acht Jahre dauern wird, muss man mal sehen. Das Ziel ist natürlich die D-T-Operation so schnell wie möglich hinzukriegen. Das ist klar, da möchte jeder gerne hin.
TR: Apropos Tritium. Das kann ja nun auch für Waffen verwendet werden. Wie stellen Sie sicher, dass das nicht in falsche Hände gerät?
Holtkamp: Das ist ganz klar geregelt hier. Wir haben vier Kilogramm Tritium auf der Site. ITER wird als Nuklearanlage lizensiert - nach französischem Recht. Im Rahmen dieser Lizensierung haben wir hier Absprachen mit dem Verteidigungsministerium darüber, wie das Material geschützt wird. Darüber hinaus gelten natürlich auch die Bestimmungen der Internationalen Atomenergieorganisation IAEO.
Wir müssen Tritium produzieren, um den Generator am Laufen zu halten. Das machen wir, in dem wir ein leichtes Metall, Lithium, mit Neutronen beschießen. Dabei gibt es eine Kernreaktion, in der Tritium entsteht, das dann wieder extrahiert wird. Das ist, wenn Sie so wollen, eine sich selbst fütternde Reaktion.
TR: Sie bekommen vielleicht 2026 die erste Deuterium-Tritium-Reaktion. Die National Ignition Facility will bereits spätestens 2014 die erste Fusion zünden. Haben die Amerikaner die Nase vorn?
Holtkamp: Also, ich würde sagen, die haben bei ihrer Technologie die Nase vorn. Nicht bei der Fusion generell. Eine Fusion zu zünden, ist ja nicht mehr der kritische Punkt. Das habe ich selbst auch schon hingelegt - 1998 hat JET 16 Megawatt Fusionsenergie produziert. Der Punkt ist, das zum ersten mal im großen Stil mit dem Laser hinzugkriegen. Die Technologiesprünge, die dafür erfoderlich sind, sind mit unseren hier mindestens vergleichbar. Wenn nicht sogar höher. Aber die haben gute Ideen, sehr visionäre Pläne, und ich würde sagen, die haben auch eine Chance. Ich denke, wir haben eine bessere Chance, weil unsere Technologie besser erprobt ist. Aber wir sind halt erst später dran. Wer am Ende wirklich die Nase vorn hat, muss man abwarten.
TR: Das heißt, Sie halten es für durchaus wahrscheinlich, dass man mit einem solchen Konzept Energie gewinnt?
Holtkamp: Es geht auch nicht darum, ob ich das für wahrscheinlich halte oder nicht - es geht einfach darum, dass dafür bestimmte Randbedingungen erfüllt sein müssen: Der Laser muss oft genug pulsen zum Beispiel. Davon ist man noch ein ganze Ecke weit weg. Das ist oft mehr als ein Faktor zehn. Das bedeutet, dass man Technologie-Schritte abwarten muss. Man muss aber unterscheiden, zwischen den Paramtern, die für ein Laserfusions-Kraftwerk erfüllt werden müssen, und den Möglichkeiten dieser Anlage. Das sind zwei verschiedene Sachen. Ich persönlich würde auf die magnetische Fusion setzen, und nicht auf die Laser-Fusion. Aber die haben eine Chance. Das Verfahren sollte man sich zumindest mal ernsthaft angucken, und ich glaube, das tun die gerade.
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